Schlüsselwörter
(Englisch)
|
Photovoltaics, crystalline silicon, surface passivation, contact recombination, thermal processing
|
Kurzbeschreibung
(Englisch)
|
This project is devoted to the development and process integration of a new generation of passiv-ating contacts for crystalline silicon solar cells. Based on the unique expertise in plasma deposition developed in Neuchâtel, the project should enable such contacts to extend the learning curve of standard technologies. Eventually, the project will lead to devices above 24% with lean processes, contributing to reducing the cost of solar electricity and mitigating the space usage of photovoltaics.
|
Kurzbeschreibung
(Französisch)
|
Ce projet a pour but le développement et l’intégration de procédés de fabrication d’une nouvelle génération de contacts passivants pour les cellules solaires en silicium. Il s’appuie sur l’expertise unique développée à Neuchâtel dans les dépôts plasmas et permettra l’introduction de nouvelles briques de fabrication pour améliorer les cellules cristallines dites standard. L’objectif final est de démontrer des cellules à plus de 24% de rendement avec des procédés utilisant un nombre minimum d’étapes, permettant ainsi de réduire les coûts de l’électricité solaire tout en limitant l’espace utilisé grâce au haut rendement des modules obtenus.
|
Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
|
25.1%-Efficient Monolithic Perovskite/Silicon Tandem Solar Cell Based on a p-type Monocrystalline Textured Silicon Wafer and High-Temperature Passivating Contacts, G. Nogay et al., ACS Energy Lett. 2019, 4, 4, 844–845 (2019)
Contributions to the Contact Resistivity in Fired Tunnel-Oxide Passivating Contacts for Crystalline Silicon Solar Cells,, F.-J. Haug et al., in IEEE Journal of Photovoltaics, vol. 9, no. 6, pp. 1548-1553, Nov. 2019
A passivating contact for silicon solar cells formed during a single firing thermal annealing, A. Ingenito et al., A passivating contact for silicon solar cells formed during a single firing thermal annealing. Nat Energy 3, 800–808 (2018)
Recombination Analysis of Phosphorus-Doped Nanostructured Silicon Oxide Passivating Electron Contacts for Silicon Solar Cells, J. Stuckelberger et al., in IEEE Journal of Photovoltaics, vol. 8, no. 2, pp. 389-396, March 2018
Crystalline Silicon Solar Cells With Coannealed Electron- and Hole-Selective SiCx Passivating Contacts, G. Nogay et al., in IEEE Journal of Photovoltaics, vol. 8, no. 6, pp. 1478-1485, Nov. 2018
Numerical simulations of hole carrier selective contacts in p-type c-Si solar cells, P. Procel et al., Volume 200, 15 September 2019, 109937 (2019)
Optimization of front SiNx/ITO stacks for high-efficiency two-side contacted c-Si solar cells with co-annealed front and rear passivating contacts, F. Meyer et al., Volume 219, January 2021, 110815 (2021)
Implementation and understanding of p+ fired rear hole selective tunnel oxide passivating contacts enabling >22% conversion efficiency in p-type c-Si solar cells, A. Ingenito et al., Volume 219, January 2021, 110809 (2021)
A Mixed-Phase SiOx Hole Selective Junction Compatible With High Temperatures Used in Industrial Solar Cell Manufacturing, P. Wyss et al., in IEEE Journal of Photovoltaics, vol. 10, no. 5, pp. 1262-1269, Sept. 2020
|
Schlussbericht
(Deutsch)
|
Das Projekt «CHESS» widmete sich der Entwicklung von passivierenden Kontakten für Silicium Solarzellen auf der Basis von vereinfachten Prozessschritten, um eine rasche industrielle Umsetzung zu ermöglichen. Daher konzentrierten wir uns auf Kontakte für p-dotierte Wafer di mit dem Diffusionsprozess des pn-Überganges und mit dem Feuerschritt der Metallisierung kompatibel sind. Wir entwickelten Solarzellen sowohl mit beidseitig passivierenden Kontakte als auch mit passivierenden Kontakten auf der Rückseite, um höhere Wirkungsgrade zu erzielen (sogenannte IBC Zellen für «interdigitated back contacts»). Im Rahmen des Projektes konnten wir so die Integration von feuerbaren Rückkontakten für p-dotierte Zellen zeigen, die Wirkungsgraden bis 22.5 % erzielen. Parallel dazu entwickelten wir neue Metallisierungsprozesse für die Vorderseite. Diese beruhen auf einer transparenten leitfähigen Schicht in Kombination mit Silicium Nitrid, gefolgt von einem Temperschritt bei 350 °C. Die Vorteile liegen in einer deutlichen Materialersparnis, da die ITO Schicht nur 15 nm dick ist, und in einer kompletten Ausheilung der Grenzflächendefekte, die während der Abscheidung entstehen. Entsprechende Solarzellen erzielten Wirkungsgrade bis 22.8 %. Schliesslich untersuchten wir die Abscheidung durch Schattenmasken um die Strukturierung von IBC Kontakten zu vereinfachen. Während des gesamten Projektes wurden die Entwicklungsschritte mit einer Vielzahl von Analysemethoden begleitet, um ein tieferes Verständnis der passivierenden Kontakte zu erlangen. So konnte zum Beispiel gezeigt werden, dass Wasserstoff entscheidend zur Passivierung der Grenzflächendefekte beiträgt, und dass die Kristallinität der Schichten für die Aktivierung von Dotierstoffen entscheidend ist.
|
Schlussbericht
(Englisch)
|
In the mid-to-long term, the full efficiency potential of crystalline silicon wafer should be exploited because higher efficiency modules lower installation costs, save area and ultimately reduce electricity costs. The CHESS project aims at developing passivating contacts for silicon solar cells and to define simple processing steps for their integration into mainstream production. Such contacts hold the promise to increase the efficiency. Thus, we focused on passivating contacts for the more common p-type wafers, and we study their compliance with diffusion of the pn-junction and the firing of the metallization. We developed processes to realize solar cells with passivating contacts on both sides, and we explored interdigitated back contacted (IBC) solar cells as the ultimate solution to reach high conversion efficiencies. Within this project, we could successfully demonstrate the integration of firing compatible passivating contacts on the rear side of p-type c-Si solar cells with conversion efficiencies up to 22.5%. Additionally, we introduced a novel metallization process for passivating contacts. Our approach is based on a thin transparent conductive oxide capped with a silicon nitride dielectric layer following by annealing at 350°C. The advantages of this approach are: full recovery of sputtering damage, process simplification and reduction of material costs (only 15 nm thick ITO was used). The proposed process was used to demonstrate solar cells with front and rear passivating contacts with conversion efficiencies up to 22.8%. Finally, we explored masking deposition as potential solution to simplify patterning of passivating contacts in IBC architecture. During the whole duration of the project, we conducted advanced characterization techniques to provide novel insights on the working principles of passivating contacts. In particular, we demonstrated the role of hydrogen to the passivation of interfacial defects, and that the crystallinity fraction of the layer is decisive for the activation of its dopants.
Zugehörige Dokumente
|
Schlussbericht
(Französisch)
|
À moyen et long terme, le potentiel d'efficacité maximum du silicium cristallin devrait être exploité pleinement car des modules à plus haut rendement économisent de l'espace et de l'installation et réduisent finalement les coûts d'électricité. Le projet CHESS visait à développer des contacts passivants pour les cellules solaires en silicium cristallin (c-Si) et à identifier des procédés simples pour leur intégration à l’échelle industrielle. Ces contacts offrent justement un potentiel de rendement plus élevé. Nos efforts se sont plus particulièrement concentrés sur le développement de contacts passivants compatibles avec des plaquettes en c-Si de type p (les plus couramment utilisées dans l’industrie), ainsi qu’avec des étapes industrielles à haute température (par exemple : diffusion de la jonction p-n et recuit rapide pour la métallisation). Nous avons développé des procédés permettant la fabrication de cellules solaires passivés des deux côtés, et nous avons exploré la fabrication de cellules solaires avec les deux types de contacts à l’arrière (structure dite « IBC ») comme solution ultime pour atteindre des rendements de conversion élevés. Dans le cadre de ce projet, nous avons démontré avec succès l'intégration de contacts passivants compatibles avec un recuit rapide à l'arrière de cellules solaires c-Si de type p avec des rendements de conversion atteignant 22,5%. De plus, nous avons introduit un nouveau procédé de métallisation des contacts passivants, basé sur l’empilement d'une couche diélectrique de nitrure de silicium sur un oxyde transparent conducteur (OTC) mince suivi d'un recuit à 350°C. Cette approche innovante permet la régénération complète des dommages causés par la pulvérisation de l’OTC, la simplification du procédé et la réduction des coûts liés aux matériaux (OTC réduit à seulement 15 nm d'épaisseur). Ce procédé a permis la démonstration de cellules solaires avec des contacts passivants des deux côtés avec des rendements de conversion jusqu'à 22,8%. Enfin, nous avons exploré le dépôt des couches passivantes à travers des masques comme solution pour simplifier la localisation des contacts passivants dans l'architecture IBC. Pendant toute la durée du projet, nous avons aussi mené des travaux de caractérisation avancés qui ont permis une meilleure compréhension des mécanismes fondamentaux associés aux contacts passivants développés. En particulier, nous avons étayé la compréhension du rôle de l'hydrogène, et que la fraction cristalline des couches passivantes contrôle l’activation de la dopage.
|
